JP4211559B2 - 光源装置及びプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及びこの光源装置を備えるプロジェクタに関するものである。

ＬＥＤ等の固体発光光源、特に平面発光領域から光を放射する固体面発光光源が光源部として用いられている。そして、固体面発光光源の発光効率は目覚しく向上している（例えば、非特許文献１参照）。

田口常正著 「白色ＬＥＤシステムの高輝度・高効率・長寿命化技術」株式会社 技術情報協会出版 ２００３年３月２７日、Ｐ４７−Ｐ５０

固体面発光光源をプロジェクタの光源部として用いることができる。この場合、光源の発光効率だけではなく、空間光変調装置や投写レンズを含めた光学系における光の利用効率を考える必要がある。光源部と液晶ライトバルブやティルトミラーデバイス等の空間光変調装置とを含めた光学系において、有効に扱える光束が存在する空間的な広がりを面積と立体角の積（以下、「エテンデュー」という。Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ Ｅｘｔｅｎｔ）として表すことができる。この面積と立体角の積は、光学系において保存される。従って、光源部の空間的な広がりが大きくなると、空間光変調装置で取り込むことができる角度が小さくなる。このため、光源部からの光束を有効に用いることが困難である。

また、固体面発光光源の平面発光領域は、いわゆるランバート面として機能する。ランバート面からの光の明るさ（輝度）は、観察する角度に関わらず一定であり、すべての方向に対して同じ輝度である。このような固体面発光光源をプロジェクタに使用する場合は、固体面発光光源からの光を、空間光変調装置の方向へ効率良く導くことが望ましい。このため、例えば平行化レンズを使用して固体面発光光源からの光を平行光へ変換して空間光変調装置へ導くことが考えられる。しかしながら、固体面発光光源の平面発光領域は一定の広がりを有しており、点光源ではないため、効率よく平行化することは困難である。

さらに、従来は、個体面発光光源からの光を、特定の方向へ導くために、半球レンズを平面発光領域に接して設けている。半球レンズは、正の屈折力を有するレンズ（凸レンズ）として機能する。このため、半球レンズは、平面発光領域からの光を所定の方向へ屈折させて導くことができる。しかしながら、半球レンズを平面発光領域に接して設けると、面発光光源の像は、拡大して結像してしまう場合が多い。面発光光源の像が拡大すると、その空間的な広がりが大きくなる。これにより、上述のエテンデューが保存されることから、空間光変調装置で取り込むことができる角度が小さくなる。このため、光源部からの光束を有効に用いることが困難である。さらに、半球レンズを射出した光を上述のように平行化レンズでコリメートする場合も、広がりのある光源のため、効率よく平行化することは困難である。これにより、光源部からの光束を有効に用いることは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光利用効率が高い光源装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、第１の発明によれば、平面発光領域から光を放射する面発光部と、面発光部の一方の面側に設けられている反射部と、面発光部の他方の面側に設けられ、光学的透明部材からなる円錐プリズム又は角錐プリズムとを有し、円錐プリズムの底面又は角錐プリズムの底面は、平面発光領域と略同一の大きさ及び形状であり、円錐プリズムの斜面又は角錐プリズムの斜面は、底面から円錐プリズム又は角錐プリズムに入射した光のうち、斜面で屈折する光を特定の方向へ射出し、斜面で反射する光を底面の方向へ導き、反射部は、斜面で反射され、底面と面発光部とを透過した光を、円錐プリズム又は角錐プリズムの方向へ再度反射することを特徴とする光源装置を提供できる。

面発光部からの光は、面発光部の他方の面側に設けられている硝子等の光学的透明部材からなる円錐プリズム又は角錐プリズムに底面から入射する。底面から入射した光は、プリズム内を進行してプリズムの斜面に到達する。ここで、斜面への入射角度により、斜面と外界の媒質、例えば空気との界面で屈折する場合と、界面で反射する場合がある。斜面の界面で屈折した光は、特定の方向へ射出される。これに対して、斜面の界面で反射した光は、さらに円錐プリズム又は角錐プリズム内を進行する。例えば、ある斜面で反射された光は、プリズム内を進行して他の異なる斜面へ到達する。そして、プリズム内を進行した光は、他の異なる斜面で屈折される場合、特定の方向へ射出される。また、プリズム内を進行した光は、他の異なる斜面で反射される場合、さらに光路を変換されてプリズム内を進行する。このとき、複数回反射しながらプリズム内を進行して、面発光部の方向へ戻る光を考える。面発光部の方向へ戻った光は、面発光部を透過する。面発光部を透過した光は、面発光部の一方の面側、即ち円錐プリズム又は角錐プリズムが設けられている面と反対側の面に設けられている反射部に入射する。反射部に入射した光は、反射部で円錐プリズム又は角錐プリズムの方向へ再度反射される。再度反射された光は、面発光部を透過して、底面から再度円錐プリズム又は角錐プリズムへ入射する。このような反射を複数回繰り返すうちに、プリズムの斜面へ入射する角度が、第１回目に斜面へ入射する角度と異なってくる。このため、斜面で屈折できる角度となっている光は、斜面で屈折されて特定の方向へ射出される。また、斜面で屈折されずに反射された光は、斜面で屈折して射出するまで上述の反射工程をさらに繰り返す。従って、プリズムや反射部における光の吸収を無視すれば、面発光部から放射された光は、すべて特定の方向へ射出させることができる。これにより、光利用効率が高い光源装置を得ることができる。

さらに、面発光部からの光を、特定の方向へ導くために、半球レンズの代わりに、円錐プリズム又は角錐プリズムを用いている。このため、面発光部の像が拡大して結像してしまうことがない。これにより、面発光部の像の空間的な広がりを低減できる。このため、エテンデューが保存されることから、空間光変調装置を照明する場合、空間光変調装置で取り込むことができる角度が大きくなる。加えて、光源装置を射出した光を平行化レンズでコリメートする場合も、空間的な広がりが少ないため、効率よく平行化できる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、円錐プリズムの頂角又は角錐プリズムの対向する斜面のなす頂角は略９０°であることが望ましい。これにより、円錐プリズム又は角錐プリズムの斜面で反射された光は、さらに効率良く反射工程を繰り返して射出することができる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、底面には、入射光を散乱させる拡散板が設けられていることが望ましい。反射工程を繰り返して、斜面から底面へ向かう光、及び反射部で反射されて面発光部を透過して再度底面へ向かう光は、拡散板で進行方向がランダムな方向へ拡散される。このため、プリズムの斜面へ入射する角度が、斜面で屈折して射出できる角度へ変換される割合が多くなる。このため、さらに光利用効率を高くすることができる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、角錐プリズムは、４つの斜面を有する四角錐プリズムであり、４つの斜面には、各斜面に対して特定の振動方向の偏光成分を透過し、特定の振動方向に略直交する偏光成分を反射する偏光分離膜が形成され、対向する一対の斜面は、偏光分離膜上に、透過光の振動方向を略９０°回転させる位相差板をさらに有し、４つの斜面は、振動方向が揃った光を射出することが望ましい。本光源装置をプロジェクタに適用する場合、空間光変調装置として液晶ライトバルブを用いることがある。液晶ライトバルブは、入射光の偏光状態を画像信号に応じて変調して射出する。このため、光源装置は、光利用効率が高いことに加えて、特定の振動方向の偏光光、例えばｐ偏光を効率良く供給することが望ましい。本態様では、４角錐プリズムの４つの斜面に偏光分離膜が形成されている。偏光分離膜は、例えば誘電体多層膜で構成される。偏光分離膜は、斜面に対して所定の角度、例えば略４５°で入射する光のうち、ｐ偏光光を透過し、ｓ偏光光を反射させる。これにより、４つの各斜面から射出する光は、各斜面に対してｐ偏光光となっている。ここで、四角錐プリズムを頂角の方向から見た場合、４つの斜面のうち、相対する一対の斜面を一組の斜面と考える。四角錐プリズムの場合、略直交する方向に２組の斜面を有している。偏光分離膜は、各斜面に対して特定の振動方向の偏光成分（ｐ偏光光）を透過させる。このため、四角錐プリズム全体として見た場合、２組の斜面からは、略直交する方向の２つ振動方向の偏光成分が射出される。本態様では、２組の斜面のうち１組の斜面、即ち対向する一対の斜面は、偏光分離膜上に、透過光の振動方向を略９０°回転させる位相差板をさらに有している。このため、位相板を透過するｐ偏光光は、その振動方向が略９０°回転される。これにより、四角錐プリズムの２組の斜面（４つの斜面）からは、全て方向が同一の振動方向の偏光光が、特定の方向へ射出される。従って、光利用効率が高く、特定の振動方向の偏光光を得ることができる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、底面には、１／４波長板又は偏光光の振動方向をランダムにする前記拡散板が形成されていることが望ましい。偏光分離膜の作用により、上述の反射工程を繰り返す光は、所定の振動方向に略直交する振動方向の偏光光である。直線偏光光は、プリズムの底面の１／４波長板を透過して円偏光に変換される。円偏光光は、面発光部を透過する。そして、面発光部を透過した円偏光光は、反射部で反射され、逆回りの円偏光光になる。そして、逆回りの円偏光光は、再度面発光部と１／４波長板とを透過して、１／４波長板６０７へ入射する前の偏光状態である直線偏光状態に比較して、略９０°回転した直線偏光光に変換される。このため、再度偏光分離膜に入射すると、偏光分離膜を透過できる。また、プリズムの底面に偏光光の振動方向をランダムにする拡散板が設けられている場合は、拡散板へ入射する前の偏光状態に比較して、振動方向がランダムな方向へ拡散（散乱）される。このため、再度偏光分離膜に入射すると、偏光分離膜を透過できる割合が高くなる。これにより、光の利用効率を向上できる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、角錐プリズム又は円錐プリズムの射出側に設けられ、第１の振動方向の偏光成分を透過し、第１の振動方向とは異なる第２の振動方向の偏光成分を反射する偏光板を有することが望ましい。本態様では、プリズムの斜面に偏光分離膜を設ける代わりに、角錐プリズム又は円錐プリズムの斜面側に、第１の振動方向の偏光成分を透過し、第１の振動方向とは異なる第２の振動方向の偏光成分を反射する偏光板を設けている。これにより、角錐プリズムの斜面又は円錐プリズムの斜面を屈折して射出した光が、偏光板に入射する。そして、偏光板は、第１の振動方向の光を透過して射出する。また、第１の振動方向と異なる第２の振動方向の光は、偏光板で反射される。偏光板で反射された光は、上述の反射工程を繰り返すことにより、振動方向が変化し、いずれは偏光板から射出する。このため、高い光利用効率で、特定の振動方向の偏光光を得ることができる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、角錐プリズム又は円錐プリズムと、偏光板との間の光路内に、さらに１／４波長板を有することが望ましい。角錐プリズム又は円錐プリズムから射出して偏光板で反射された第２の振動方向の偏光光は、１／４波長板を透過して、円偏光光となり、プリズムの方向へ進行する。そして、円偏光光は、反射部で反射され、逆回りの円偏光光になり、再度プリズム内を進行する。逆回りの円偏光光は、１／４波長板をもう一度透過して、１／４波長板へ入射する前の偏光状態である直線偏光状態に比較して、略９０°回転した直線偏光光に変換される。このように第２の振動方向の光は、１／４波長板を２度透過することで、振動方向が略９０°回転して、第１の振動方向へ変換される。このため、第１の振動方向へ変換された光は、偏光板を透過して射出される。これにより、第１の振動方向に揃った光を効率良く取り出すことができる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、角錐プリズム又は円錐プリズムを囲むように設けられ、角錐プリズム又は円錐プリズムから射出した光を反射する反射面が形成されている光ガイド部を有することが望ましい。光ガイド部は、例えば、内周面が反射面である中空円筒形状である。また、光ガイド部の高さは、角錐プリズム又は円錐プリズムの高さと略等しいことが望ましい。角錐プリズム又は円錐プリズムは、光ガイド部により囲まれているため、プリズムから射出した光は、反射面で反射される。このため、光ガイド部よりも外側へは光が広がることはない。これにより、面発光部と略同じ面積の領域から光を効率良く取り出すことができる。

また、第２の発明によれば、上述の光源装置と、光源装置からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、変調された光を投写する投写レンズとを有することを特徴とするプロジェクタを提供できる。これにより、光利用効率の高い光源装置からの光を用いて明るい投写像を得ることができる。

以下に、本発明に係る光源装置及びプロジェクタの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る光源装置１００の斜視図である。光源装置１００は、面発光ＬＥＤである。また、図２は、光源装置１００の断面構成を示す。図２において、サファイア基板１０２にＧａ、Ｉｎ、Ｎ等の結晶を成長させて面発光部１０１を形成する。面発光部１０１の端部にボンディングワイヤ１０３が設けられている。面発光部１０１は、平面発光領域１０１ａから光を全ての方向に対して略等しい強度で放射する。即ち、面発光部１０１は、いわゆるランバート面として機能する。そして、面発光部１０１の一方の面側には、反射部である反射金属電極１０６が設けられている。また、面発光部１０１の他方の面側には、高屈折率硝子の光学的透明部材からなる四角錐プリズム１０４が光学的接着剤で固着されている。四角錐プリズム１０４の底面１０４ａには、入射光を散乱させる拡散板１０７が設けられている。

次に、上述の構成において、面発光部１０１から放射された光の振る舞いについて説明する。四角錐プリズム１０４の底面１０４ａは、略正方形形状である。底面１０４ａは、略正方形形状の平面発光領域１０１ａと略同一の大きさ及び形状である。また、高屈折率硝子からなる四角錐プリズム１０４の屈折率ｎは、サファイア基板１０２の屈折率と略同一又はそれ以上で有れば良い。好ましくは、四角錐プリズム１０４の屈折率ｎは、少なくとも１．４５以上が望ましい。さらに好ましくは、四角錐プリズム１０４の屈折率ｎ＝１．７７である。これにより、面発光部１０１から放射されサファイア基板１０２内を進行する光は、サファイア基板１０２と四角錐プリズム１０４の底面１０４ａとの間の界面で全反射されることがない。このため、面発光部１０１からの光は、効率良く四角錐プリズム１０４内へ底面１０４ａから入射する。

面発光部１０１は、上述のようにランバート面であるため、発光点からすべての方向に略同一の強度の光を放射する。底面１０４ａから四角錐プリズム１０４内に入射した光は、四角錐プリズム１０４内を進行して、斜面１０５ａに到達する。ここで、斜面１０５ａへの入射角度により、斜面１０５ａと外界の媒質、例えば空気との界面で屈折する場合と、界面で反射する場合がある。例えば、光Ｌ１は、位置Ｐ１において斜面１０５ａの界面で屈折して特定の方向へ射出される。

これに対して、光Ｌ２は、位置Ｐ２において斜面１０５ａの界面で屈折されることなく反射される。位置Ｐ２において反射された光は、さらに四角錐プリズム１０４内を進行する。斜面１０５ａで反射された光Ｌ２は、四角錐プリズム１０４内を進行して他の異なる斜面１０５ｂへ到達する。光Ｌ２が、他の異なる斜面１０５ｂの位置Ｐ３で反射される場合、さらに光路を変換されて四角錐プリズム１０４内を底面１０４ａの方向へ進行する。底面１０４ａを透過して面発光部１０１の方向へ戻った光は、さらに面発光部１０１を透過する。面発光部１０１を透過した光は、面発光部１０１の一方の面側、即ち四角錐プリズム１０４が設けられている面と反対側の面に設けられている反射部である反射金属電極１０６に入射する。反射金属電極１０６に入射した光Ｌ２は、反射金属電極１０６で四角錐プリズム１０４の方向へ再度反射される。

再度反射された光Ｌ２は、面発光部１０１を透過して、底面１０４ａから再度、四角錐プリズム１０４へ入射する。このような反射を複数回繰り返すうちに、プリズムの斜面１０５ｂへ入射する角度が、第１回目に斜面１０５ｂへ入射する角度と異なってくる。このため、斜面１０５ｂで屈折できる角度となっている光Ｌ２は、斜面１０５ｂで屈折されて特定の方向へ射出される。また、斜面１０５ｂで屈折されずに反射される場合、斜面１０５ａ、１０５ｂで屈折して射出するまで上述の反射工程をさらに繰り返す。従って、四角錐プリズム１０４や反射金属電極１０６における光の吸収を無視すれば、面発光部１０１から放射された光は、すべて特定の方向へ射出させることができる。これにより、光利用効率が高い光源装置１００を得ることができる。

さらに、面発光部１０１からの光を、特定の方向へ導くために、半球レンズの代わりに、四角錐プリズム１０４を用いている。このため、面発光部１０１の像が拡大して結像してしまうことがない。これにより、面発光部１０１の像の空間的な広がりを低減できる。このため、エテンデューが保存されることから、空間光変調装置を照明する場合、空間光変調装置で取り込むことができる角度が大きくなる。加えて、光源装置１００を射出した光を平行化レンズでコリメートする場合も、空間的な広がりが少ないため、効率よく平行化できる。

また、底面１０４ａには、光Ｌ２を散乱させる拡散板１０７が設けられている。拡散板１０７は、底面１０４ａに微細な凹凸を形成すること、又は底面１０４ａの接着層に拡散ビーズを混入することで構成できる。上述の反射工程を繰り返して、斜面１０５ｂから底面１０４ａへ向かう光Ｌ２、及び反射金属電極１０６で反射されて面発光部１０１を透過して再度、底面１０４ａへ向かう光Ｌ２は、拡散板１０７で進行方向がランダムな方向へ拡散される。このため、四角錐プリズム１０４の斜面１０５ｂへ入射する角度が、斜面１０５ｂで屈折して射出できる角度へ変換される割合が多くなる。このため、さらに光利用効率を高くすることができる。

次に、光源装置１００から放射された光の強度分布について説明する。図３−１は、従来の面発光ＬＥＤの放射強度分布を示す。図３−１の横軸は光源の位置（例えば、図２のｘ方向）、縦軸は任意の光強度座標Ｉをそれぞれ示す。上述のように、従来の面発光ＬＥＤは、ランバート面から放射である。このため、図３−１に示すように、全ての観察方向へ等しい強度分布の光を放射する。これに対して、本実施例では、四角錐プリズム１０４の斜面１０５ａ、１０５ｂの屈折により、四角錐プリズム１０４の頂角方向を中心として光強度が一定の範囲内で分布している。このため、光源装置１００は、特定の方向へ効率良く光を放射できる。

また、図４は、四角錐プリズム１０４の頂角θと、頂角の方向を中心とする放射光の強度との関係を示す。図４から明らかなように、頂角θ＝９０°近傍のときに、放射光の中心部分の強度が最大になる。本実施例では、四角錐プリズム１０４の対向する斜面１０５ａ、１０５ｂのなす頂角θは略９０°である。これにより、四角錐プリズム１０４の斜面１０５ａ、１０５ｂで反射された光は、さらに効率良く反射工程を繰り返して射出することができる。従って、放射光の中心部分の強度分布を大きくできる。

図５は、本発明の実施例２に係る光源装置５００の斜視図である。実施例１では、四角錐プリズムを用いたのに対し、本実施例では円錐プリズムを用いる点が異なる。その他の基本的構成は、実施例１と同様であり、上記実施例１と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。光源装置５００は、面発光ＬＥＤである。サファイア基板１０２上にＧａ、Ｉｎ、Ｎ等の結晶を成長させて円形の面発光部１０１を形成する。円形の面発光部１０１の端部にボンディングワイヤ１０３が設けられている。面発光部１０１は、平面発光領域から光を全ての方向に対して略等しい強度で放射する。即ち、面発光部１０１は、いわゆるランバート面として機能する。そして、面発光部１０１の一方の面側には、反射部である反射金属電極１０６（不図示）が設けられている。また、面発光部１０１の他方の面側には、高屈折率硝子の光学的透明部材からなる円錐プリズム５０４が光学的接着剤で固着されている。円錐プリズム５０４の底面１０４ａ（不図示）には、入射光を散乱させる拡散板１０７が設けられている。

本実施例の構成により、上記実施例１と同様の反射工程を繰り返して、面発光部から放射された光は、すべて特定の方向へ射出させることができる。これにより、光利用効率が高い光源装置を得ることができる。

図６−１は、本発明の実施例３に係る光源装置６００の斜視図である。本実施例では、特定の振動方向の偏光光を、特定の方向へ射出する点が実施例１と異なる。上記実施例１と同一部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。光源装置６００は、面発光ＬＥＤである。また、図６−２は、光源装置６００を四角錐プリズム６０４の頂角θの方向（ｚ軸方向）から見た図である。なお、頂角θ＝９０°である。図２において、サファイア基板１０２上にＧａ、Ｉｎ、Ｎ等の結晶を成長させて面発光部１０１を形成する。面発光部１０１の端部にボンディングワイヤ１０３が設けられている。面発光部１０１は、平面発光領域から光を全ての方向に対して略等しい強度で放射する。即ち、面発光部１０１は、いわゆるランバート面として機能する。そして、面発光部１０１の一方の面側には、反射部である反射金属電極１０６（図７−１、７−２参照）が設けられている。また、面発光部１０１の他方の面側には、高屈折率硝子の光学的透明部材からなる四角錐プリズム６０４が光学的接着剤で固着されている。四角錐プリズム６０４の底面６０４ａには、１／４波長板６０７が設けられている。

図６−２に示すように、四角錐プリズム６０４は、第１斜面６０５ａと、第２斜面６０５ｂと、第３斜面６０５ｃと、第４斜面６０５ｄとの４つの斜面を有する。第１斜面６０５ａと、第３斜面６０５ｃとが対向する。また、第２斜面６０５ｂと、第４斜面６０５ｄとが対向する。４つの斜面６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄには、各斜面に対して特定の振動方向の偏光成分であるｐ偏光光を透過し、特定の振動方向に略直交する偏光成分であるｓ偏光光を反射する偏光分離膜６１０が形成されている。偏光分離膜６１０は、誘電体多層膜からなり、４つの斜面６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄに同時に製膜される。

対向する一対の斜面である第２斜面６０５ｂと第４斜面６０５ｄとには、偏光分離膜６１０上に、透過光の振動方向を略９０°回転させる位相差板であるシート状の１／２波長板６１１（図６−２において斜線を付す）がさらに光学的透明接着剤で固着されている。本光源装置６００をプロジェクタに適用する場合、空間光変調装置として液晶ライトバルブを用いることがある。液晶ライトバルブは、入射光の偏光状態を画像信号に応じて変調して射出する。このため、光源装置６００は、光利用効率が高いことに加えて、特定の振動方向の偏光光、例えばｐ偏光を効率良く供給することが望ましい。

４つの斜面６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄに形成されている偏光分離膜６１０は、各斜面に対して所定の角度、例えば略４５°で入射する光のうち、ｐ偏光光を透過し、ｓ偏光光を反射させる。これにより、４つの各斜面６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄから射出する光は、各斜面６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄに対してｐ偏光光となっている。４つの斜面６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄのうち、一組の斜面６０５ａ、６０５ｃと、他の一対の斜面６０５ｂ、６０５ｄとは、略直交する方向に設けられている。偏光分離膜６１０は、各斜面６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄに対して特定の振動方向の偏光成分であるｐ偏光光を透過させる。

図７−１は、第１斜面６０５ａと第３斜面６０５ｃとの断面方向の構成を示す。面発光部１０１から放射されたランダム偏光光は、後述する１／４波長板６０７を透過して、四角錐プリズム６０４の底面６０４ａから四角錐プリズム６０４内へ進行する。四角錐プリズム６０４内を進行する光は第１斜面６０５ａに到達する。第１斜面６０５ａに到達した光のうちｐ偏光光Ｌ７１は、偏光分離膜６１０を透過して特定方向へ射出する。また、第１斜面６０５ａに到達した光のうちｓ偏光光は、偏光分離膜６１０で反射して、第１斜面６０５ａに対向する第３斜面６０５ｃへ入射する。ここで、ｓ偏光光はさらに第３斜面６０５ｃの偏光分離膜６１０で反射されて、底面６０４ａの方向へ進行する。底面６０４ａの方向へ進行するｓ偏光光は、底面６０４ａを透過して１／４波長板６０７へ入射する。１/４波長板６０７は底面６０４ａに光学的透明接着剤で固着されている。

そして、ｓ偏光光は、１／４波長板６０７を透過して円偏光光に変換される。円偏光光は、反射金属電極１０６で反射され、逆回りの円偏光光になる。そして、逆回りの円偏光光は、再度、面発光部１０１と１／４波長板６０７とを透過して、１／４波長板６０７へ入射する前の偏光状態であるｓ偏光状態に比較して、略９０°回転した直線偏光光、即ちｐ偏光光に変換される。このため、ｐ偏光光Ｌ７２は、再度第３斜面６０５ｃの偏光分離膜６１０に入射すると、偏光分離膜６１０を透過して射出される。

また、四角錐プリズム６０４の底面６０４ａに、１／４波長板６０７の代わりに、偏光光の振動方向をランダムにする拡散板を設けても良い。拡散板は、底面６０４ａに微細な凹凸を形成すること、又は底面６０４ａとの間の接着層に拡散ビーズを混入させることで構成できる。これにより、入射光は、拡散板へ入射する前の偏光状態（ｓ偏光状態）に比較して、振動方向がランダムな方向へ拡散（散乱）される。このため、再度偏光分離膜６１０に入射すると、偏光分離膜６１０を透過できる割合が高くなる。これにより、光の利用効率を向上できる。さらに、反射工程の回数が多い場合、又は反射率が低い場合などは、拡散板の拡散度を最適化することで、光利用効率を高める効果を得ることができる。

また、図７−２は、第２斜面６０５ｂと第４斜面６０５ｄとの断面方向の構成を示す。面発光部１０１から放射されたランダム偏光光は、１／４波長板６０７を透過して、四角錐プリズム６０４の底面６０４ａから四角錐プリズム６０４内へ進行する。四角錐プリズム６０４内を進行する光は第４斜面６０５ｄに到達する。第４斜面６０５ｄに到達した光のうちｐ偏光光は、偏光分離膜６１０を透過する。ここで、第４斜面６０５ｄの偏光分離膜６１０上には、透過光の振動方向を略９０°回転させる位相差板であるシート状の１／２波長板６１１が光学的透明接着剤により固着されている。このため、第４斜面６０５ｄの１／２波長板６１１を透過したｐ偏光光Ｌ７３は、その振動方向が略９０°回転されて射出する。

第４斜面６０５ｄの偏光分離膜６１０で反射されたｓ偏光光は、第４斜面６０５ｄに対向する第２斜面６０５ｂの偏光分離膜６１０でさらに底面６０４ａの方向へ反射される。底面６０４ａの方向へ進行するｓ偏光光は、底面６０４ａを透過して１／４波長板６０７へ入射する。

そして、ｓ偏光光は、１／４波長板６０７を透過して円偏光光に変換される。円偏光光は、反射金属電極１０６で反射され、逆回りの円偏光光になる。そして、逆回りの円偏光光は、再度、面発光部１０１と１／４波長板６０７とを透過して、１／４波長板６０７へ入射する前の偏光状態であるｓ偏光状態に比較して、略９０°回転した直線偏光光、即ちｐ偏光光に変換される。このため、ｐ偏光光は、再度第２斜面６０５ｂの偏光分離膜６１０に入射すると、偏光分離膜６１０を透過できる。第２斜面６０５ｂの偏光分離膜６１０を透過したｐ偏光光は、さらに１／２波長板６１１を透過する。このため、第２斜面６０５ｂの１／２波長板６１１を透過した光Ｌ７３は、その振動方向が略９０°回転されて射出する。

このため、四角錐プリズム６０４全体として見た場合、２組の斜面である、４つの斜面６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄからは、全て方向が同一の特定の振動方向の偏光光が、特定の方向へ射出される。従って、光利用効率が高く、特定の振動方向の偏光光を得ることができる。

なお、本実施例では、対向する斜面へ入射する光、例えば、第１斜面６０５ａから第３斜面６０５ｃへ入射する光、及び第４斜面６０５ｄから第２斜面６０５ｂへ入射する光について説明した。しかしながら、これに限られず、例えば、第１斜面６０５ａで反射され隣接する第２斜面６０５ｂへ入射する光についても、全反射条件や偏光方向の条件を満足すれば、四角錐プリズム６０４を射出できる。このような光も、偏光光の振動方向は上述の場合と同一の方向に揃っている。

図８は、本発明の実施例４に係る光源装置８００の断面構成を示す。上記実施例１と同一部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。サファイア基板１０２上にＧａ、Ｉｎ、Ｎ等の結晶を成長させて面発光部１０１を形成する。面発光部１０１の端部にボンディングワイヤ１０３が設けられている。面発光部１０１は、平面発光領域から光を全ての方向に対して略等しい強度で放射する。即ち、面発光部１０１は、いわゆるランバート面として機能する。そして、面発光部１０１の一方の面側には、反射部である反射金属電極１０６が設けられている。また、面発光部１０１の他方の面側には、高屈折率硝子の光学的透明部材からなる四角錐プリズム１０４が光学的接着剤で固着されている。

四角錐プリズム１０４の射出側には、グリッド偏光子８１０が設けられている。グリッド偏光子８１０は、例えば、硝子基板上にアルミニウムを波長以下のオーダーの間隔で直線状にパターニングして製造できる。グリッド偏光子８１０は、第１の振動方向の偏光成分であるｐ偏光光を透過し、第１の振動方向とは異なる第２の振動方向の偏光成分であるｓ偏光光を反射する偏光板の機能を有する。また、四角錐プリズム１０４と、グリッド偏光子８１０との間の光路内に、さらにシート状の１／４波長板８０７が設けられている。１／４波長板８０７とグリッド偏光子８１０とは、光学的透明接着剤で固着されている。さらに、四角錐プリズム１０４を囲むように中空円筒状の光ガイド部８１０が設けられている。光ガイド部８１０の内周面には四角錐プリズム１０４から射出した光を反射する反射面８１０ａが形成されている。反射面８１０ａは、Ａｇ等の金属を蒸着させて形成する。

本実施例では、四角錐プリズム１０４の斜面に偏光分離膜を設ける代わりに、四角錐プリズム１０４の射出側に、第１の振動方向の偏光成分であるｐ偏光光を透過し、第１の振動方向とは異なる第２の振動方向の偏光成分であるｓ偏光光を反射する偏光板であるグリッド偏光子８１０を設けている。これにより、面発光部１０１から放射され、四角錐プリズム１０４の斜面１０５ａを屈折して射出した光は、グリッド偏光子８１０に入射する。そして、グリッド偏光子８１０は、第１の振動方向の光であるｐ偏光光Ｌ８２を透過して射出する。また、第１の振動方向と異なる第２の振動方向の光であるｓ偏光光は、グリッド偏光子で反射される。グリッド偏光子８１０で反射されたｓ偏光光は、１／４波長板８０７に入射する。

ｓ偏光光は、１／４波長板８０７を透過して円偏光となり、四角錐プリズム１０４の方向へ進行する。そして、円偏光光は、反射部である反射金属電極１０６で反射され、逆回りの円偏光光になる。そして、逆回りの円偏光光は、再度、面発光部１０１を透過して四角錐プリズム１０４の斜面１０５ａから屈折して射出する。斜面１０５ａから射出した円偏光光は、１／４波長板８０７を透過して、１／４波長板８０７へ入射する前の偏光状態であるｓ偏光状態に比較して、略９０°回転した直線偏光光、即ちｐ偏光光に変換される。このため、ｐ偏光光Ｌ８１は、グリッド偏光子８１０を透過して射出される。これにより、第１の振動方向であるｐ偏光に揃った光を効率良く取り出すことができる。

さらに本実施例では、四角錐プリズム１０４を囲むように光ガイド部８１０が設けられている。光ガイド部８１０の高さは、四角錐プリズム１０４の高さと略等しいことが望ましい。四角錐プリズム１０４は、光ガイド部８１０により囲まれているため、プリズムから射出した光Ｌ８３は、光ガイド部８１０の内周面に形成されている反射面８１０ａで反射される。このため、光ガイド部８１０よりも外側へは光が広がることはない。これにより、面発光部１０１と略同じ面積の領域から光を効率良く取り出すことができる。

図９は、本発明の実施例５に係るプロジェクタの概略構成を示す。プロジェクタ９００は、第１色光であるＲ光を供給する第１光源装置９０１Ｒと、第２色光であるＧ光を供給する第２光源装置９０１Ｇと、第３色光であるＢ光を供給する第３光源装置９０１Ｂとを有する。第１光源装置９０１Ｒ、第２光源装置９０１Ｇ及び第３光源装置９０１Ｂは、それぞれ上記実施例３又は実施例４で述べたような光源装置である面発光ＬＥＤである。

第１光源装置９０１Ｒはｐ偏光のＲ光を放射するように構成されている。Ｒ光は、レンズＬＮを透過して、第１色光用空間光変調装置であるＲ光用空間光変調装置９１０Ｒに入射する。Ｒ光用空間光変調装置９１０Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。Ｒ光用空間光変調装置９１０Ｒは、液晶パネル９１５Ｒと、第１偏光板９１６Ｒと、第２偏光板９１７Ｒとからなる。

第１偏光板９１６Ｒは、ｐ偏光光のＲ光を透過し、液晶パネル９１５Ｒに入射させる。液晶パネル９１５Ｒは、ｐ偏光光を画像信号に応じて変調し、ｓ偏光光に変換する。第２偏光板９１７Ｒは、液晶パネル９１５Ｒでｓ偏光光に変換されたＲ光を射出する。このようにして、Ｒ光用空間光変調装置９１０Ｒは、第１光源装置９０１ＲからのＲ光を画像信号に応じて変調する。Ｒ光用空間光変調装置９１０Ｒでｓ偏光光に変換されたＲ光は、クロスダイクロイックプリズム９１２に入射する。

第２光源装置９０１Ｇはｓ偏光のＧ光を放射するように構成されている。ｓ偏光のＧ光は、レンズＬＮを透過して、第２色光用空間光変調装置であるＧ光用空間光変調装置９１０Ｇに入射する。Ｇ光用空間光変調装置９１０Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。Ｇ光用空間光変調装置９１０Ｇは、液晶パネル９１５Ｇと、第１偏光板９１６Ｇと、第２偏光板９１７Ｇとからなる。

第１偏光板９１６Ｇは、ｓ偏光のＧ光を透過し、液晶パネル９１５Ｇに入射させる。液晶パネル９１５Ｇは、ｓ偏光光を画像信号に応じて変調し、ｐ偏光光に変換する。第２偏光板９１７Ｇは、液晶パネル９１５Ｇでｐ偏光光に変換されたＧ光を射出する。このようにして、Ｇ光用空間光変調装置９１０Ｇは、第２光源装置９０１ＧからのＧ光を画像信号に応じて変調する。Ｇ光用空間光変調装置９１０Ｇでｐ偏光光に変換されたＧ光は、クロスダイクロイックプリズム９１２に入射する。

第３光源装置９０１Ｂは、ｐ偏光のＢ光を放射するように構成されている。ｐ偏光のＢ光は、レンズＬＮを透過して、第３色光用空間光変調装置であるＢ光用空間光変調装置９１０Ｂに入射する。Ｂ光用空間光変調装置９１０Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調する透過型の液晶表示装置である。Ｂ光用空間光変調装置９１０Ｂは、液晶パネル９１５Ｂと、第１偏光板９１６Ｂと、第２偏光板９１７Ｂとからなる。

第１偏光板９１６Ｂは、ｐ偏光のＢ光を透過し、液晶パネル９１５Ｂに入射させる。液晶パネル９１５Ｂは、ｐ偏光光を画像信号に応じて変調し、ｓ偏光光に変換する。第２偏光板９１７Ｂは、液晶パネル９１５Ｂでｓ偏光光に変換されたＢ光を射出する。このようにして、Ｂ光用空間光変調装置９１０Ｂは、第３光源装置９０１ＢからのＢ光を画像信号に応じて変調する。Ｂ光用空間光変調装置９１０Ｂでｓ偏光光に変換されたＢ光は、クロスダイクロイックプリズム９１２に入射する。

クロスダイクロイックプリズム９１２は、２つのダイクロイック膜９１２ａ、９１２ｂを有する。２つのダイクロイック膜９１２ａ、９１２ｂは、Ｘ字型に直交して配置されている。ダイクロイック膜９１２ａは、ｓ偏光光であるＲ光を反射し、ｐ偏光光であるＧ光を透過する。ダイクロイック膜９１２ｂは、ｓ偏光光であるＢ光を反射し、ｐ偏光光であるＧ光を透過する。このように、クロスダイクロイックプリズム９１２は、第１色光用空間光変調装置９１０Ｒと、第２色光用空間光変調装置９１０Ｇと、第３色光用空間光変調装置９１０Ｂとでそれぞれ変調されたＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成する。投写レンズ９３０は、クロスダイクロイックプリズム９１２で合成された光をスクリーン９４０に投写する。

本実施例では、上記実施例３又は実施例４で述べた光源装置を用いている。このため、光利用効率が高く明るい投写像を得ることができる。また、実施例３、実施例４の光源装置の場合は、特定の振動方向の偏光光を供給できるため、偏光変換装置が不要となる。なお、上記実施例１又は実施例２のような、ランダムな偏光光を供給する光源装置を用いる場合、ランダムな偏光光をｐ偏光又はｓ偏光に変換する偏光変換装置を適宜設ければ良い。

なお、上記各実施例では、四角錐プリズムや円錐プリズムを例に説明を行っている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、多角錐プリズムであれば良い。また、本発明の光源を複数アレイ状に配置したものも含まれる。

以上のように、本発明に係る光源装置はプロジェクタに有用である。

実施例１の光源装置の斜視図。 実施例１の光源装置の断面図。 従来の光源装置の放射強度図。 実施例１の光源装置の放射強度図。 プリズムの頂角と中心強度との関係を示す図。 実施例２の光源装置の斜視図。 実施例３の光源装置の斜視図。 実施例３の光源装置の上面図。 実施例３の光源装置の断面図。 実施例３の光源装置の他の断面図。 実施例４の光源装置の断面図。 実施例５のプロジェクタの断面図。

符号の説明

１００ 光源装置、１０１ａ 平面発光領域、１０１ 面発光部、１０２ サファイア基板、１０３ ボンディングワイヤ、１０４ 円錐プリズム、１０４ 四角錐プリズム、１０４ａ 底面、１０５ａ 斜面、１０５ｂ 斜面、１０６ 反射金属電極、１０７ 拡散板、５００ 光源装置、６００ 光源装置、６０４ 四角錐プリズム、６０４ａ 底面、６０５ａ、６０５ｂ、６０５ｃ、６０５ｄ 斜面、６０７ １／４波長板、６１０ 偏光分離膜、６１１ １／２波長板、８００ 光源装置、８０７ １／４波長板、８１０ グリッド偏光子、８１０ 光ガイド部、８１０ａ 反射面、９００ プロジェクタ、９０１Ｒ、９０１Ｇ、９０１Ｂ 光源装置、９１０Ｒ、９１０Ｇ、９１０Ｂ 各色光用空間光変調装置、９１２ クロスダイクロイックプリズム、９１２ａ、９１２ｂ ダイクロイック膜、９１５Ｒ、９１５Ｇ、９１５Ｂ 液晶パネル、９１６Ｒ、９１６Ｇ、９１６Ｂ 第１偏光板、９１７Ｒ、９１７Ｇ、９１７Ｂ 第２偏光板、９３０ 投写レンズ、９４０ スクリーン

Claims (5)

1. 平面発光領域から光を放射する固体面発光光源と、
   前記固体面発光光源の一方の面側に設けられている反射部と、
   前記固体面発光光源の他方の面側に設けられ、光学的透明部材からなる角錐プリズムと、を有し、
   前記角錐プリズムの底面は、前記平面発光領域と略同一の大きさ及び形状であり、
   前記角錐プリズムの斜面は、前記底面から前記角錐プリズムに入射した光のうち、前記斜面で屈折する光を特定の方向へ射出し、前記斜面で反射する光を前記底面の方向へ導き、
   前記反射部は、前記斜面で反射され、前記底面と前記固体面発光光源とを透過した光を、前記角錐プリズムの方向へ再度反射し、
   前記角錐プリズムは、４つの斜面を有する四角錐プリズムであり、
   前記４つの斜面には、前記各斜面に対して特定の振動方向の偏光成分を透過し、前記特定の振動方向に略直交する偏光成分を反射する偏光分離膜が形成され、
   対向する一対の前記斜面は、前記偏光分離膜上に、透過光の振動方向を略９０°回転させる位相差板をさらに有し、
   前記４つの斜面は、振動方向の揃った光を射出することを特徴とする光源装置。
2. 前記角錐プリズムの対向する斜面のなす頂角は略９０°であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記底面には、入射光を散乱させる拡散板が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記底面には、１／４波長板又は偏光光の振動方向をランダムにする拡散板が形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光源装置。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、
   変調された光を投写する投写レンズとを有することを特徴とするプロジェクタ。

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